« Un antibiotique peptidique lasso à large spectre ciblant le ribosome bactérien »

Aujourd'hui, nous partageons une étude importante publiée dans Nature, qui décrit pour la première fois un nouvel antibiotique peptidique lasso, la lariocidine (LAR), produit par Paenibacillus sp. M2. La LAR cible efficacement la petite sous-unité ribosomale des bactéries, exerçant une activité antibactérienne à large spectre en inhibant la synthèse protéique et en induisant des erreurs de codage. Grâce à l'analyse génomique, l'expression hétérologue, la biologie structurale et la validation sur un modèle animal, l'étude élucide de manière exhaustive le mécanisme d'action unique de la LAR, démontrant sa faible propension au développement de résistances, sa faible toxicité pour les cellules eucaryotes et son efficacité significative dans un modèle d'infection murine. Ces travaux identifient non seulement le premier peptide lasso ciblant le ribosome, mais proposent également une nouvelle approche pour le développement de médicaments candidats contre les infections bactériennes multirésistantes.

01 Contexte de la recherche

La résistance aux antibiotiques est devenue une grave crise de santé publique mondiale, responsable de plus de 4,5 millions de décès en 2019. Les pathogènes résistants aux médicaments, notamment les bactéries Gram négatif, sont classés par l'OMS comme des menaces critiques, ce qui rend le développement de nouveaux antimicrobiens urgent. Le ribosome, machinerie essentielle à la synthèse des protéines bactériennes, est une cible majeure des antibiotiques existants (par exemple, les aminoglycosides et les tétracyclines). Cependant, les inhibiteurs ciblant ce site présentent souvent un nombre limité de sites de liaison fonctionnels. Leur utilisation excessive à long terme et la résistance croisée résultant de mutations des gènes de résistance ont considérablement limité leur utilité. Dans ce contexte, les peptides lasso, une classe unique de peptides synthétisés par les ribosomes et modifiés post-traductionnellement (RiPP), possèdent une structure tridimensionnelle caractéristique en forme de lasso (cyclisation par une liaison isopeptidique entre l'extrémité N-terminale et une chaîne latérale Asp/Glu, la queue C-terminale s'insérant dans la boucle), leur conférant une grande stabilité. Certains membres de la famille des lassos (par exemple, la microcine J25 et la capistruine) sont connus pour leur activité antibactérienne, mais historiquement, on savait seulement qu'ils ciblaient l'ARN polymérase ; aucun lasso n'avait été décrit comme inhibiteur du ribosome, une cible essentielle. Par conséquent, cette étude, grâce à la culture à long terme de souches environnementales (incubation d'échantillons de sol pendant un an), a permis de cribler et d'obtenir Paenibacillus sp. M2, dont les métabolites ont montré une forte activité inhibitrice contre Acinetobacter baumannii multirésistant. L'isolement guidé par l'activité a finalement permis d'identifier le nouvel antibiotique LAR – le premier lasso découvert ciblant le ribosome. Ceci fournit un modèle clé pour le développement de médicaments antibactériens agissant sur de nouveaux sites et selon de nouveaux modes d'action, offrant ainsi la possibilité de relever le défi de plus en plus préoccupant des infections résistantes.

02 Points forts innovants

Innovation structurale : L'étude a révélé que le dérivé naturel LAR-B possède une structure tridimensionnelle unique en forme de « double boucle ». Cette structure, formée par une seconde liaison isopeptidique (entre Lys2 et Arg17), constitue le premier peptide lasso de classe V identifié. Cette structure innovante améliore non seulement la stabilité conformationnelle de la molécule, lui permettant de résister à la dégradation par diverses protéases comme la pepsine et la trypsine, mais surtout, elle fournit un nouveau squelette moléculaire pour l'optimisation de médicaments basée sur la structure, offrant ainsi une solution aux problèmes de stabilité des peptides lasso traditionnels.

Site de liaison unique : LAR présente une sélectivité de cible unique et un mécanisme d'action à multiples facettes. Il se lie spécifiquement à la région des hélices h31 et h34 de l'ARNr 16S de la petite sous-unité ribosomique 30S. Ce site ne chevauche pas les sites de liaison d'antibiotiques connus ciblant les ribosomes, tels que la tétracycline (qui se lie à la base de h34) ou la streptomycine (qui agit sur l'hélice h44). Ce mode de liaison unique lui permet de conserver une activité puissante contre les souches résistantes courantes en clinique, sans pratiquement aucun problème de résistance croisée. L'analyse de la structure cristalline a révélé que l'extension C-terminale de LAR s'insère directement dans le site A ribosomique, provoquant un encombrement stérique avec la tige acceptrice de l'ARNt et inhibant ainsi efficacement le processus de translocation ribosomique médié par EF-G.

Double mécanisme bactéricide : D'une part, il stabilise le ribosome dans un état pré-translocationnel, bloquant le mouvement relatif de l'ARNm et de l'ARNt sur le ribosome et inhibant l'étape d'élongation de la synthèse protéique. D'autre part, son interaction avec le centre de décodage réduit la précision de la sélection de l'aminoacyl-ARNt, entraînant une augmentation d'environ 15 à 20 fois de la fréquence des erreurs de lecture des codons. Notamment, LAR traverse la membrane bactérienne de manière dépendante du potentiel membranaire, une caractéristique qui lui permet de pénétrer dans les cellules sans dépendre d'une protéine de transport spécifique. Ceci lui confère une excellente activité antibactérienne contre les bactéries Gram négatif (par exemple, A. baumannii) et les mycobactéries dépourvues de systèmes de transport spécifiques.

03 Résultats et discussion

3.1 Identification, biosynthèse et caractérisation structurale du LAR

La LAR (masse moléculaire 1870,06 Da) a été purifiée à partir de Paenibacillus sp. M2 par fractionnement guidé par l'activité. L'analyse génomique a permis d'identifier son cluster de gènes de biosynthèse (lrcBGC), codant pour des éléments typiques tels que le peptide précurseur LrcA et la cyclase LrcC. L'expression hétérologue a confirmé que ce cluster est suffisant pour produire la LAR et ses variants LAR-B (dépourvu de Gly18 et formant une seconde liaison isopeptidique) et LAR-C (dépourvu uniquement de Gly18). La RMN et la cristallographie ont révélé que la LAR possède une structure en lasso classique, tandis que la structure en « double boucle » de LAR-B contribue probablement à sa stabilité.

Fig. 1 | LAR et son BGC

3.2 Mécanisme antibactérien du LAR : ciblage des ribosomes et double inhibition

Le LAR présente une activité bactéricide, réduisant spécifiquement le nombre de colonies d'un facteur 10⁴ après une heure de traitement à une concentration 10 fois supérieure à la CMI, sans toutefois induire de lyse cellulaire, comme l'indique l'absence de diminution de la densité optique du milieu de culture. Des tests de perméabilité membranaire, utilisant la coloration au iodure de propidium et la détection du potentiel membranaire par le colorant DiOC₂(3), ont montré que le LAR ne perturbe pas l'intégrité membranaire. Le LAR marqué par fluorescence s'accumule à l'intérieur des cellules, suggérant une cible intracellulaire. Le criblage de mutations de résistance dans une souche sensible d'E. coli SQ110ΔtolC a révélé des mutations concentrées au niveau de sites tels que U1052A et G1207A dans l'ARNr 16S, situés dans les hélices h31/h34 de la petite sous-unité ribosomique. Des tests de traduction in vitro ont montré que le LAR inhibe significativement la synthèse protéique bactérienne tout en ayant un effet minimal sur les systèmes eucaryotes.

Fig. 2 | LAR présente une activité bactéricide et cible la synthèse des protéines bactériennes.

3.3 La biologie structurale révèle le site de liaison et le mécanisme moléculaire

En résolvant les structures complexes de LAR et de son variant LAR-B liés au ribosome 70S de Thermus thermophilus, cette étude a révélé son mécanisme d'action unique à l'échelle atomique : LAR se lie spécifiquement à la tête de la petite sous-unité ribosomale, interagissant avec des résidus clés tels que G530 et A1492 de l'ARNr 16S, et établit une liaison stable grâce à une interaction de type empilement entre Phe11 et U531. Plus important encore, LAR entre en contact direct avec le phosphate G31 de l'ARNt du site A, ce qui explique structurellement sa double fonction : elle inhibe la translocation ARNt-ARNm et induit des erreurs de lecture des codons, un mécanisme également vérifié indépendamment par des tests d'empreinte ribosomique. Notamment, ce site de liaison chevauche partiellement celui de l'odilorhabdine, mais est totalement distinct des sites de liaison des antibiotiques classiques comme la tétracycline et la streptomycine. Ce nouveau mode de liaison explique fondamentalement l'avantage unique que représente la faible propension de LAR à induire une résistance croisée.

Fig. 3 | Structure de LAR en complexe avec le ribosome 70S de T. thermophilus.

3.4 Analyse de l'activité et de la résistance in vivo et in vitro

La lactoferrine (LAR) est efficace contre les bactéries cliniquement résistantes telles que *Acinetobacter baumannii* résistante aux carbapénèmes (CMI 8 µg/mL), et son activité est renforcée en présence de sérum. Dans un modèle murin d'infection de la cuisse chez un animal neutropénique, le traitement par LAR (4 doses) a réduit la charge bactérienne dans la rate, la cuisse et le sang d'un facteur 100 après 24 heures, et a porté le taux de survie à 100 %. Les tests de résistance ont montré une faible fréquence de mutation spontanée pour la LAR (environ 2 × 10⁻⁸), et la surexpression d'enzymes de résistance courantes (par exemple, les méthyltransférases et les acétyltransférases) n'a pas affecté son activité, ce qui indique une barrière de résistance élevée.

Fig. 4 | Efficacité thérapeutique du LAR dans un modèle d'infection de la cuisse chez la souris neutropénique

04Conclusion et perspectives d'avenir

Cette étude identifie systématiquement LAR comme le premier antibiotique peptidique lasso ciblant le ribosome. En se liant à un site inédit de la petite sous-unité ribosomique, il inhibe simultanément la translocation et induit des erreurs de lecture des codons, présentant une excellente activité antibactérienne à large spectre, une faible propension au développement de résistances et une bonne efficacité thérapeutique in vivo. La structure unique en « double boucle » de son variant naturel LAR-B enrichit la diversité structurale de la famille des peptides lasso, et la plateforme d'expression hétérologue établie constitue un socle solide pour une production à grande échelle. Les recherches futures pourraient s'orienter vers la découverte d'analogues structuraux supplémentaires par exploration génomique, l'optimisation rationnelle des propriétés pharmacocinétiques de LAR et l'étude de ses effets synergiques avec les antibiotiques existants contre les pathogènes prioritaires de l'OMS. En résumé, la découverte de LAR enrichit non seulement l'arsenal moléculaire des inhibiteurs ribosomiques, mais offre également un paradigme novateur pour le développement de médicaments antibactériens anti-résistants de nouvelle génération.

Article original :

Jangra M, Travin DY, Aleksandrova EV, et al. Un antibiotique peptidique lasso à large spectre ciblant le ribosome bactérien. Nature. 2025 avr;640(8060):1022-1030. doi: 10.1038/s41586-025-08723-7. Epub 2025 mars 26. Erratum dans : Nature. 2025 sept;645(8082):E11.